Les caractéristiques et propriétés électriques des cellules photovoltaïques

 Purification du silicium

Le silicium de qualité électronique exige une grande pureté Il s’agit, en partant du silicium métallurgique, de faire une purification chimique. De nombreux procédés ont été développés par les différents producteurs mondiaux de silicium. Il existe.de nombreuses techniques de purification. On va effectuer une purification chimique, une des méthodes qui consiste à faire une distillation à partir de SiHCl3 (trichlorosilane) liquide à température ambiante Si (solide) + 3 HCl = SiHCl3 (gaz) + H2 (6) Le rendement de la réaction est égal à 90%, on a effectué une première purification car des précipités chlorures ne se mélangent pas au trichlorosilane. Puis SiHCl3 (qui a une température d’ébullition faible (31.8°C) est purifié par distillation fractionnée, il est plus volatil que les chlorures des principales impuretés. Ce trichlorosilane purifié est ensuite réduit pour redonner du silicium. SiHCl3 (gaz) + H2 (gaz) = Si (solide) + 3HCL (7) Après la distillation, les impuretés actives sont réduites, le silicium est alors de bonne qualité électronique, donc le silicium obtenu est pur (intrinsèque) et doit maintenant subir un double traitement à la fois d’enrichissement en matériau dopant afin d’en faire du silicium extrinsèque de type p ou n comportant une proportion d’une impureté connue, et d’obtenir de plus un monocristal convenablement orienté. En effet, le silicium précédemment obtenu était polycristallin ; il y a nécessité de le transformer en monocristallin pour améliorer sa conductivité. Cette opération est réalisée dans un four à tirage selon la procédure de Czochralski.

Découpage et polissage

La technique de découpe traditionnelle utilisait une scie annulaire diamantée (voir Figure I.9) Actuellement, on utilise une « scie à fils ». C’est un fil d’acier d’environ 180 microns de diamètre et 150 km de longueur. Il progresse à une vitesse de 10 cm/s et est enroulé de façon à pouvoir découper jusqu’à 400 substrats en même temps (voir Figure I.10). Figure I. 10 :Principe d’une scie à fils pour le découpage des substrats de silicium [16] La découpe se fait grâce à la pulvérisation d’un lubrifiant chargé de grains durs de SiC de 10 à 20 microns. La perte de matière est importante, car le « trait de scie » a une largeur d’environ 200 microns. Le gain obtenu réduisant l’épaisseur des substrats est donc limité. Donc on peut dire que le sciage des plaquettes à partir d’un lingot nécessite une scie diamantée à diamètre intérieur, afin de provoquer le minimum de casse. Le lingot à scier est collé par son méplat primaire sur une barre pour bien maintenir les plaquettes lors du sciage. Il existe aussi d’autres types de scies à fil diamanté. Pour finir, on enlève des échantillons du lot pour les tester et les mesurer à savoir le diamètre, la planéité et l’épaisseur. On vérifie aussi l’homogénéité de la résistance. Après le sciage, les plaquettes sont nettoyées à l’eau dèsionisée ; ensuite, elles subissent un rodage mécanique à la poudre d’alumine. On les charge dans une machine à action orbitale où elles tournent entre deux surfaces lubrifiées avec de la poudre d’alumine. Ce qui diminue les irrégularités à la surface (inférieures à 3 microns). Il existe aussi plusieurs autres solutions alternatives qui évitent le sciage de blocs, mais on se contente de citer seulement ces deux solutions intéressantes.

•Solution alternative par tirage de rubans : On peut aussi tirer des rubans de silicium de la dimension voulue directement au dpart de la phase liquide. On conomise ainsi de la matire de l’opration de dcoupe. Par contre, la purification est moins pousse et la cristallisation moins bonne. Ce procd est donc peu utilis.Il existe plusieurs mthodes et (La Figure I.11) illustre l’une d’elles.

•Solutions alternatives par dpt de couche mince : On peut encore rduire le nombre d’tapes de la fabrication en cristallisant directement une mince couche de silicium sur un support. Pour obtenir du silicium cristallin, il faut que ce support soit port  temprature leve (> 800°C) : ce qui conduit  utiliser comme support des cramiques, des substrats de silicium bon march, des alliages de silicium.Ce support peut tre couvert d’une couche destine  rduire la diffusion des impurets du support et  rflchir la partie de la lumire qui traversera la cellule sans tre absorbe ; ce qui lui donnera une seconde chance. On doit obtenir une couche de silicium polycristallin d’au moins 20 microns d’paisseur parce que le silicium cristallin est relativement transparent et que des cellules plus minces n’absorberaient pas suffisamment la lumire malgr la couche rflchissante cite ci-dessus.

Applications

Après comparaison des avantages multiples du silicium amorphe et des inconvénients cités ci-dessus, il ne faut pas conclure que ce matériau va remplacer le silicium cristallin dans un proche avenir. Par contre, il est possible de tirer parti de certains avantages du silicium amorphe afin de développer de nouvelles applications pour lesquelles le silicium cristallin ne peut être ou est difficilement utilisable ; principalement les technologies qui nécessitent des grandes surfaces.La plus connue de ces applications est la cellule photovoltaïque; utilisée le plus souvent dans des alimentations qui nécessitent de petites puissances. Ce type de cellule solaire est assez répandu dans les calculatrices, les montres ou les chargeurs de batteries. De tels dispositifs sont réalisés par une structure de diode. La mise en contact de deux couches dopées provoque la création d’un champ électrique.

En comparaison avec les cellules cristallines, la seule différence essentielle d’une cellule amorphe réside dans le fait que les deux zones dopées ne sont pas directement mises en contact: une couche intrinsèque est déposée entre ces deux couches. Les couches dopées amorphes sont de mauvaise qualité (beaucoup de défauts), les charges créées dans ces couches ne pourront pas être collectées (car la recombinaison domine). La couche intrinsèque est donc nécessaire afin que les paires électron-trou responsables de l’effet photovoltaïque puissent être collectées. Pour former des hétérojonctions avec le silicium cristallin (c-Si) dont les recherches ont abouti à de très hauts rendements photovoltaïques avec ce type de cellules. Donc l’empilement monolithique des deux couches (couche mince de silicium amorphe sur silicium cristallin par exemple) absorbant dans des domaines spectraux se chevauchant, en améliore le rendement théorique par rapport à des cellules simples distinctes qu’elles soient amorphes, cristallines ou microcristallines.

Le silicium comme matériau de base dans l’industrie photovoltaïque est prédominant plus de 90% [19] (Figure I.14. ) Ce semi-conducteur présente, différents avantages : facilement extrait à partir du sable, ce qui le rend très abondant sur la terre ; il n’est pas toxique comme certains semi-conducteurs III-V ; il possède un oxyde naturel (SiO2) présentant d’excellentes propriétés électroniques et il peut se doper facilement (avec le phosphore ou le bore). Son seul véritable inconvénient est son gap indirect à 1,1 eV. Ceci entraîne une absorption du rayonnement plus faible qu’avec un matériau à gap direct : pour absorber 90% du spectre solaire, il faudra utiliser une épaisseur de 100 μm pour le silicium, alors que seulement 1 μm de GaAs suffit.

De plus, la largeur de bande interdite du silicium fait qu’il n’est pas le mieux adapté pour capter la part optimale du spectre solaire (entre 1 et 1,7 eV) : le GaAs, avec une largeur de bande interdite de 1,38 eV, permet d’accéder à des rendements théoriques plus élevés[20]. Le silicium reste cependant le matériau le plus utilisé dans le photovoltaïque (Figure I.14) Outre les avantages précités, il bénéficie d’une implantation importante et durable dans l’industrie de la microélectronique. Celle-ci utilise du silicium monocristallin de très haute pureté, obtenu par des méthodes telles que le tirage CZ (Czockralski) [21]. Ce type de matériau, qui présente d’excellentes qualités électroniques, est très coûteux. La part de silicium monocristallin y est plus importante, puisque les modules produits selon cette technologie ont un rendement plus élevé que ceux en silicium multicristallin. Le silicium multicristallin est quant à lui fabriqué à partir de sources de matériau moins raffinées, mais convient aux processus de l’industrie photovoltaïque : il constitue 56,4% des modules fabriqués en 2003 [19].